振弦、光纖光柵應(yīng)變傳感器校準規(guī)范-征求意見稿

JJFxxxx-xxxx1振弦、光纖光柵應(yīng)變傳感器校準規(guī)范GBT3408.2—2008大壩監(jiān)利用光纖傳感的原理，例如，光纖布拉格光柵(FBG)的柵距，會因光纖軸向長度的JJFxxxx-xxxx2應(yīng)變傳感器在量程范圍內(nèi)的輸出量變化值與應(yīng)變傳感器輸出信號的振幅和相位受頻率變化而變（a）電阻應(yīng)變傳感器示意簡圖1-基底；2-線纜；3-封裝材料；4-電阻敏感柵；5-固定孔（b）振弦應(yīng)變傳感器示意簡圖 1-固定端；2-外殼；3-線圈保護殼；4-激勵與接收線圈；5-鋼弦；6-線（c）光纖應(yīng)變傳感器示意簡圖1-光纖包層；2-封裝基底；3-光纖；4-光柵；5-焊點纜圖1應(yīng)變傳感器外形示意圖表1振弦應(yīng)變傳感器計量特性項目技術(shù)指標JJFxxxx-xxxx3標距(mm)10~300靈敏度(Hz2/(μm/m))-溫度補償系數(shù)((μm/m)/℃)-綜合誤差(%FS)±0.5±1.0±3.0±5.0線性度(%FS)±0.5±1.0±3.0±5.0回程誤差(%FS)0.20.52.0重復(fù)性(%FS)0.20.52.0表2光纖光柵應(yīng)變傳感器計量特性項目技術(shù)指標靜態(tài)指標標距(mm)3~500應(yīng)變靈敏度(pm/(μm/m))0.8~3.0溫度補償系數(shù)(pm/°C)-綜合誤差(%FS)±0.5±1.0±3.0±5.0線性度(%FS)±0.5±1.0±3.0±5.0回程誤差(%FS)0.20.52.0重復(fù)性(%FS)0.20.52.0動態(tài)指標參考靈敏度(%)3.0（k=2）頻率響應(yīng)(Hz3db)（0~5000）幅值線性度(%)±10注：校準工作不判斷合格與否，上述計量特性要求僅供參考。6.1.2校準前，被校準的應(yīng)變傳感器表3校準項目及校準用標準器序號校準項目技術(shù)指標1標距(mm)游標卡尺：MPE：±0.02mm2綜合誤差（%FS）1）振弦頻率采集儀：MPE：0.1%2）振弦應(yīng)變傳感器校準裝置：標距范圍（5～300）mm，MPE：±3μm3線性度（%FS）4回程誤差（%FS）5重復(fù)性（%FS）JJFxxxx-xxxx表4校準項目及校準用標準器序號校準項目技術(shù)指標1標距影像測量儀：測量范圍0~100）mm測量不確定度U=3μm，k=2。2應(yīng)變靈敏度1）FBG解調(diào)儀：波長測量范圍不小于1510~1590）nm；波長測量不確定度：U≤5pm，k=2。2）應(yīng)變校準裝置：A.方法1：彎矩撓度法應(yīng)變傳感器校準裝置：應(yīng)變測量范圍-1500~1500）μm/m；應(yīng)變測量不確定度：U≤10μm/m，k=2。B.方法2：位移拉壓法應(yīng)變傳感器校準裝置：位移測量范圍：不小于5mm當標距=100mm）形成的應(yīng)變測量范圍不小于-20000~20000）μm/m；位移測量不確定度：U=0.1μm，k=2，形成的應(yīng)變測量不確定度：U=1μm/m，k=2。3）溫度計：溫度測量范圍：不小于（15~30）°C；溫度測量不確定度：U=0.2°C，k=2。3綜合誤差4線性度5回程誤差67溫度補償系數(shù)1）FBG解調(diào)儀：波長測量范圍不小于1510~1590）nm；波長測量不確定度：U≤5pm，k=2。2）溫度補償系數(shù)校準裝置：A.方法1：黑體加熱撓度法應(yīng)變傳感器校準裝置：應(yīng)變測量范圍-1500~1500）μm/m；應(yīng)變測量不確定度：U=10μm/m，k=2；溫度測量范圍：不小于（20~500）°C；溫度測量不確定度：U=0.2°C，k=2。B.方法2：溫度測量裝置：溫度測量范圍：（-30~105）°C；溫度測量不確定度：U≤0.05°C，k=2。8動態(tài)參考靈敏度1）FBG高速解調(diào)儀：波長測量不確定度：U≤5pm，k=2。波長解調(diào)頻率0～1000）HzJJFxxxx-xxxx9頻率響應(yīng)2）彎矩撓度法應(yīng)變傳感器校準裝置：應(yīng)變測量范圍不小于-1500~1500）μm/m；應(yīng)變測量不確定度：U≤10μm/m，k=2。頻率響應(yīng)范圍不小于：（0~10）kHz幅值線性度注：允許采用滿足測量不確定度要求的其它測量標準器7.2振弦應(yīng)變傳感器校準項目和校準方法采用游標卡尺對標距L進行測量，測量三次取振弦頻率采集儀讀取應(yīng)變傳感器的輸出頻率P=K(fi2-f02)+C+d(Tt-Ti)（1）式中：Pi為第i個測量點的應(yīng)變值，單位為微米每米(μm/mK為應(yīng)變傳感器的靈敏度，單位為微米每米每二次方赫茲((μm/m）/Hz2f0為初始輸出頻率，單位為赫茲（Hz）；fi為第i個測量點時的輸出頻率值，單位為赫茲（Hz）；C為應(yīng)變傳感器初始位置時應(yīng)變值，單位為微米每米(μm/md為應(yīng)變傳感器溫度補償系數(shù)，單位為微米每米每攝氏度((μm/m）/℃);Tt為測試時的溫度，單位為攝氏度(℃);T通過對振弦應(yīng)變傳感器的拉伸或壓縮來產(chǎn)生應(yīng)P=xiL（2）xi為振弦應(yīng)變傳感器產(chǎn)生應(yīng)變量對應(yīng)的位移量fi2-f02=-C（3）令JJFxxxx-xxxxyi=fi2-f02a=b=-jiji）， (xi-x)2L(xi-x)(yj-y)(|(xi-x)(yj-y))|i=1(xi-x)2x-y振弦應(yīng)變傳感器固定在與被測結(jié)構(gòu)物相同材料試件上，其溫ftmax-ftminTt,Tt,maxJJFxxxx-xxxxftmax為經(jīng)溫度修正后振弦應(yīng)變傳感器在Ttmax環(huán)境的輸出頻率，單位為赫茲（Hz或）；ftmin為經(jīng)溫度修正后振弦應(yīng)變傳感器在Ttmin環(huán)境的輸出頻率，單位為赫茲（Hz或）；'Tt,max'T為振弦應(yīng)變傳感器最高工作溫度，單位為攝氏度(℃);為振弦應(yīng)變傳感器最低工作溫度，單位為攝氏度(℃);fn為振弦應(yīng)變傳感器頻率或頻率模數(shù)的滿量程輸出。Y小二乘法進行擬合，得到截距為g；同理可知，測量根據(jù)三個循環(huán)的測量數(shù)據(jù)，由正、反同向行程在第i個校準點三次測量輸出值，求出同向行程中相互間的最大差值，取各點同向行程中差值最大的為Δi，按式（16）計rJJFxxxx-xxxx8應(yīng)變傳感器在某校準點處的重復(fù)性為ξR，可計算該校準點處的一組測量值的樣u,iu,u,iu,iRSd,idR按式（21）計算應(yīng)變傳感器在第j次行程中第i個校準點的誤差，取測量循環(huán)中絕對值7.3光纖光柵應(yīng)變傳感器校準項目和校準方法采用影像測量儀對標距進行校準，測量三次或五（22）式中：Kε為應(yīng)變靈敏度，pm/(μm/m)，Δλ為波長變化量，pm。校準時，在FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變測量范圍內(nèi)大致均勻分布取至少5個點，根據(jù)JJFxxxx-xxxxK=Y=Y+Kεiεijλij-ελijε-εεij0Y=0-mnmnλε-εεijλijε-εεijK為參比直線斜率；Yλij為FBG解調(diào)儀在第j次行程中第i個校準點的波長輸出值；ε為第j次行程中第i個點的標準應(yīng)變值；ε為各校準點輸入標準應(yīng)變平均值；）；j為第j次測量行程次序數(shù)，j=1,2,…,n下εijλij-ελijKεε-εεij光纖光柵應(yīng)變傳感器（簡稱FBG應(yīng)變傳感器）固定在基于等強度懸臂梁應(yīng)變測量原理的撓度法應(yīng)變校準裝置，產(chǎn)生并測量梁表面某測量點處的撓度值，依據(jù)計算公式），JJFxxxx-xxxx εx=(Lx)2yb（27）L為梁的有效長度，mm；x為載荷加載點到撓度測量點的距離，mm；yb為撓度測量點處的撓度，mm。光纖光柵應(yīng)變傳感器固定在等強度懸臂梁表ε=Cεxb2）位移拉壓校準法FBG應(yīng)變傳感器粘貼在拉壓裝置上，其實際ε=LL為滑動平臺和固定平臺之間的距離。式中：YFS為位移至上下限時三個正、反行程 式中：gi為傳感器在第i個校準點三個循環(huán)正行程輸出量的平均值；r綜合誤差ξLHR計算公式為：k=KTKε（37）式中：Δλ為波長變化量，單位為納米（nmΔT為傳感器測試過程中的溫度變化量，單位為攝氏度(℃);KT為FBG應(yīng)變傳感器溫度靈敏度，單位為皮米k為光纖光柵傳感器溫度補償系數(shù)，單位為微米每米每攝氏度（(μm/m)/℃);Tt為測試時傳感器的溫度，單位為攝氏度(℃);Ti為參考溫度，單位為攝氏度(℃);之比為該傳感器的動態(tài)參考靈敏度。撓度法動態(tài)參考靈敏度按式(38)計算，拉伸法動態(tài)Sd=（38）Sd=（39）式中：Sd為光纖光柵傳感器的動態(tài)參考靈敏度；δfi=20lg（40）式中：δfi為第i個頻率點的動態(tài)靈敏度與動態(tài)參考靈敏度的相對偏差；Sdi為第i個頻率點的動態(tài)靈敏度；Sd為動態(tài)參考靈敏度。均勻選取5個應(yīng)變點進行測量，計算出各應(yīng)變點的動態(tài)靈敏度，然后按式(41)計算各應(yīng)=δdri=Sdi-SdSd式中：δdri為第i個應(yīng)變點的動態(tài)靈敏度與應(yīng)變傳感器動態(tài)參考靈敏度相對偏差；Sdi為第i個應(yīng)變點的動態(tài)靈敏度；Sd為參考動態(tài)靈敏度。b）實驗室名稱和地址；）；），h）如果與校準結(jié)果的有效性和應(yīng)用有關(guān)時，應(yīng)對抽樣程序進行j）本次校準所用計量標準的溯源性及有效性說明；p）未經(jīng)實驗室書面批準，不得部分復(fù)制證書的聲明。A.2推薦的校準證書內(nèi)頁格式見表JJFxxxx-xxxx表A.1校準證書內(nèi)頁格式證書編號：校準環(huán)境條件溫度：℃相對濕度：%地點：序號校準項目校準結(jié)果12345校準員：核驗員：JJFxxxx-xxxx圖B-1撓度法應(yīng)變傳感器校準裝置結(jié)構(gòu)示意圖從而被測FBG應(yīng)變傳感器也會相應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)變；微變；精密撓度計用于測量梁的撓度和厚度；將FBG圖B-2納米位移拉壓法應(yīng)變傳感器校準裝置結(jié)構(gòu)示意圖臺表面，計算機控制電機工作，來使滑動平臺產(chǎn)生水平JJFxxxx-xxxxK=L(fi-if02)-(fi2Cf02)（C-1）u(K)「u(L)]2「u(x)]2「u(fi2-f02u(K)「u(L)]2「u(x)]2「u(fi2-f02)]2KLL」Lxi」|Lfi-f0」|式中：K為應(yīng)變傳感器的靈敏度，單位為微米每米每二次方赫茲((μm/m）/Hz2f0為初始輸出頻率，單位為赫茲（Hz）；fi為第i個測量點時的輸出頻率值，單位為赫茲（Hz）；L為振弦應(yīng)變傳感器的測量標距量程，單位為米（mxi為振弦應(yīng)變傳感器相對L的變形量，單位為微米(μm）。表1不確定度來源一覽表不確定度來源xi相對標準不確定度/(%)靈敏系數(shù)Ci振弦應(yīng)變傳感器校準裝置Urel10.241頻率采集儀Urel20.011重復(fù)性Urel30.101標距Urel40.011測量的綜合誤差Urel50.481JJFxxxx-xxxxPC.4.1振弦應(yīng)變傳感器校準裝置引入的標準不確定度分量P振弦應(yīng)變傳感器校準裝置MPE：±3μm，位移量0.24mm，測量的相對標準不確定度C.4.2頻率讀數(shù)儀引入的標準不確定度分量urel2(f2-f2Urel2=fi2-f02C.4.3重復(fù)性引入的標準不確定度分量urel3Urel3C.4.4標距引入的標準不確定度分量urel4（C-3）（C-4）（C-5）標距L=150.01mm，卡尺的測長誤差標距引入的誤差MPE：±0.02mm，測量的相對不確定度Urel4C.4.5測量的綜合誤差引入的標準不確定度分量urel5綜合誤差的合成相對不確定度： u(Pi)「u urel(K)=uLL2+ui2+ufurel(K)=2（C-7）(C-8)（C-9）JJFxxxx-xxxxFBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變靈敏度的測量不確定度評定（位移拉壓K=Δλ=Lg(λi-λ0)=LgΔλ(D-1)εεΔLΔL式中：λi為施加應(yīng)變后FBG應(yīng)變傳感器的中心波長；λ0為未施加應(yīng)變時的FBG應(yīng)變傳感器的初始中心波長；Δλ為FBG波長變化量；ucrel(Kε)=uel(Δλ)+uel(ε)= l(Lg)+ul(Δλ)+ul(ΔL)標準不確定度來源類別相對標準不確定度靈敏度系數(shù)中心波長引入的標準不確定度urel(Δλ)B0.002%1標距引入的標準不確定度urel（Lg）A0.0018%1位移量引入的標準不確定度urel(ΔL）A0.005%1被測應(yīng)變波長值重復(fù)性的標準不確定度urel(λ)A0.01%1JJFxxxx-xxxx標距是由影像測量儀多次重復(fù)測量取均值得到的，對FBG傳感器的標距進行多次利用納米拉壓位移法應(yīng)變校準裝置對FBG應(yīng)變傳感器進行測量，多次測量后得重urel(λ)=0.01%(D-7)(D-8)2222(D-8)2222c。JJFxxxx-xxxxFBG應(yīng)變傳感器應(yīng)變靈敏度的測量不確定度評定（撓其中，L為梁的有效長度，h為梁的厚度，x為撓度測點距載荷點的距離，yucrel(Kε)= uel(Δλ)+22xuel(L-x)+uel(C)+uel(h)+uel(y(x))(E-2)i不確定度來源類別相對標準不確定度靈敏系數(shù)1梁厚度的測量誤差urel（h）A0.02%2端點距離測量誤差urel（L-x）A0.014%3撓度測量誤差urel（yx）A0.03%4應(yīng)變比例放大系數(shù)urel(α)A0.05%5中心波長變化量引入標準不確定度urel(Δλ)B0.002%6被測應(yīng)變波長值重復(fù)性標準不確定度urel(λ)A0.01%urel(h)=u)==0.02％(E-3)JJFxxxx-xxxxurel(a)==0.05％(E-6)依據(jù)